河北大学朱前程博士、张文明教授&河北农业大学赵丹阳博士J. Power Sources：原位构建碳量子点溶剂化团簇实现锌均匀沉积

第一作者：王登科

通讯作者：朱前程*，张文明*，赵丹阳*

单位：河北大学，河北农业大学

水系锌离子电池因其高性价比、高容量和环境友好等优点，因此有望用于大规模储能以及便携电子设备。在传统硫酸锌电解液中，锌离子一般以溶剂化[Zn(H₂O)₆]²⁺的形式存在。不幸的是，锌离子溶剂化结构中的水分子具有较高的活性，这些活性水分子在锌沉积的过程中容易抢夺电子发生析氢腐蚀，造成局部的碱性环境。而局部的碱性环境又会进一步导致锌枝晶的产生和不可逆的副产物，严重损害电池的库伦效率和循环寿命。因此，调节锌离子的溶剂化结构引起了众多研究人员的广泛关注。一方面，采用高浓度电解质能直接降低电解液中的水分子含量，从而实现调节锌离子溶剂化结构的目的。然而，使用高浓度电解质会大大增加水系锌离子电池的生产成本，不利于商业化普及。另一方面，电解液添加剂作为一种简单有效调节锌离子溶剂化结构的策略而被广泛应用。电解液添加剂对锌离子溶剂化结构的调控与锌沉积和副反应的发生有直接关系，因此有关电解液添加剂对溶剂化结构的研究是该领域的研究热点。

近日，来自河北大学校聘教授朱前程博士和张文明教授与河北农业大学赵丹阳博士共同合作，在国际知名期刊Journal of Power Sources上发表题为“In-situ constructed solvated carbon quantum dot clusters to achieve uniform Zn plating in aqueous zinc ion batteries”的研究文章。该文章报道了一种原位构建的新型锌离子溶剂化结构（碳量子点溶剂化团簇），以此来抑制锌枝晶的生长和副反应的发生。原位构建的碳量子点团簇不仅能降低去溶剂化能垒，而且能通过与锌共沉积的形式促进锌负极的均匀沉积。

以硫酸锌和葡萄糖作为前驱体，通过简单的一步水热法制备了官能团化的碳量子点（FCQDs），FCQDs的尺寸大约在2-6nm之间。红外光谱和XPS证明FCQDs的表面含有羟基、羧基和磺酸基。

热重分析和Zeta电位再次印证了FCQDs表面有电负性的官能团（羟基、羧基和磺酸基）。核磁以及红外表明FCQDs能打破水分子之间的氢键网络，并与水分子之间形成新的氢键作用。DFT计算结果表明FCQDs与锌离子之间有较强的静电作用力，各种表征和理论结果证明碳量子点能与锌离子和水分子共同形成溶剂化团簇(FCQDsZn_xH₂O_y)^2x+。此外，理论模拟也证明FCQDs能均衡锌表面的电场和浓度场，削弱尖端效应和浓度极化造成的不均匀沉积。

原位构建的溶剂化团簇能促进锌均匀成核和沉积，同时也能抑制析氢反应和降低成核过电势，在高电流的电流下呈现出较小的极化现象。此外，得益于溶剂化团簇，锌离子去溶剂化过程中需要克服的能垒也明显降低。

SEM与AFM结果表明，由于共沉积的引导作用，锌负极沉积平整致密，无枝晶的产生。XRD、Raman以及相应的Raman mapping均表明含锌负极在含有团簇溶剂化的电解液中展现了更强的抑制副反应的能力。同时，循环后锌负极的XPS以及球差电镜也强有力地证明了FCQDs与锌共沉积的事实。

In-situ constructed solvated carbon quantum dot clusters to achieve uniform Zn plating in aqueous zinc ion batteries

朱前程博士，1993年生，男，河北大学物理科学与技术学院，校聘教授，硕士生导师。2019年10月至2020年10月赴美国休斯敦大学德州超导中心进行联合培养，师从著名华人科学家任志锋教授；2021年6月获得华中师范大学理学博士学位；2021年8月以“高层次人才”引进至河北大学物理科学与技术学院从事教学与科研工作。主要从事水系离子电池、超级电容器等储能方面的研究，以第一作者或通讯作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Science Bulletin和Energy Storage Materials等高水平期刊发表SCI论文20多篇。主持和参与国家级、省级项目多项。参与获得湖北省科学技术奖自然科学一等奖，获得湖北省“长江学子”创新奖、国际科学组织Vebleo Fellow等荣誉。

张文明教授，河北省杰青，河北省青年拔尖人才，河北大学优秀坤舆学者，海南大学材化学院客座教授，主要从事先进材料与能源器件研究。主持参与3项国家基金，主持省部级项目10余项。在Advanced Materials、Nano Letters、Small、JMCA、CEJ等JCR一区及二区杂志发表论100余篇，获得多项授权发明专利，主编国家级教材1部，参编国家级教材3部。指导大学生竞赛获得10余个国家级和省级奖励，本人获得“省级优秀指导教师”称号，2021年获河北省自然发明三等奖。

赵丹阳博士，2023年毕业于华中师范大学物理学院，入职河北农业大学校聘副教授。近年来在水系锌离子电池材料制备及储能机理揭示方面做了相应的研究，取得了一些成果，在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Chemical Engineering Journal、Energy & Environmental Materials等期刊杂志共发表SCI论文10多篇。